Takt und Timing

Takt- und Timing-Geräte sind eine Vielzahl von Komponenten, die zur Erzeugung, Verwaltung, Zählung und Verteilung digitaler Takte verwendet werden. Digitale Takte sind periodische Wellenformen (meistens Rechteckwellen). Alle digitalen Schaltungen mit Speicher erfordern die Flankenübergänge von Takten zur Aktualisierung und Speicherung des nächsten Prozesszustands. Dieser Vorgang wird als Synchronisierung bezeichnet, und Prozesse, die Takte verwenden, heißen synchrone Prozesse. Anwendungen, für die Takte erforderlich sind, sind allgegenwärtig. In beinahe allen digitalen Geräten, die seit den ersten Rechengeräten entwickelt wurden, kommen Takte zum Einsatz.
Ein Timing-Referenzoszillator generiert üblicherweise Takte. Hierbei handelt es sich um einen Resonanzkreis, der auf eine bestimmte Frequenz eingeregelt ist oder darauf eingeregelt werden kann. Wenn ein Strom anliegt, verschiebt eine positive Rückkopplungsschleife die zugehörige Rauschenergie in die Energie des Resonanzbereichs. Da es sich beim Resonanzbereich um einen Bandpassfilter handelt, wird Energie mit der Resonanzfrequenz verstärkt, während alles andere unterdrückt wird bis zu einem Punkt, an dem der Oszillator nur noch mit einer einzigen Frequenz schwingt. Wenn diese Energie die Amplitudenlimits erreicht, erhält man eine abgeschnittene Sinuswelle und schlussendlich eine Rechteckwelle.
In seiner einfachsten Form kann ein Taktschaltkreis aus diskreten Komponenten als Hartley- oder Colpittes-Oszillatorschaltung aufgebaut werden. Diese Schaltungen sind üblicherweise nicht sehr genau. Häufig findet man Kristallresonatoren (z. B. Uhrenglas mit 32,768 kHz) zwischen Ein- und Ausgang eines invertierenden CMOS-Puffers, die dazu dienen, einen Takt zu erzeugen (wie er in vielen Mikrocontrollern verwendet wird). Quarzoszillatoren sind die heutzutage am häufigsten anzutreffenden Geräte. Auch Oszillatoren auf der Basis akustischer Oberflächenwellenresonatoren aus Keramik sind weit verbreitet. Für zusätzliche Genauigkeit und Kontrolle sind sie in einer Vielzahl von Formen verfügbar.
Viele Resonatoren basieren auf Materialien, die mit dem Alter, der Temperatur und der Spannung ihre Eigenschaften ändern. Diese Eigenschaften haben Auswirkungen auf die Genauigkeit, die Frequenz und den Ziehbereich (wie weit entfernt von der Mittenresonanzfrequenz die Frequenz in beide Richtungen eingestellt werden kann). Temperaturkompensierte Quarzoszillatoren (TCXO) verfügen über integrierte Netzwerke zur Kompensation der Temperaturdrift. Temperaturstabilisierte Quarzoszillatoren (OCXO) verfügen über integrierte Heizungen und Temperaturregelkreise, durch die die Genauigkeit durch Beeinflussung der Materialumgebung weiter verbessert wird. Spannungsgesteuerte Quarzoszillatoren (VCXO) verfügen über einen Steueranschluss, der abhängig von der Spannung die Feineinstellung der Frequenz nach oben oder unten ermöglicht.
Referenztakte können verwendet werden, um andere Frequenzen mit Taktgeneratoren, Taktmultiplikatoren, Phasenregelschleifen und Frequenzsynthesizern künstlich herzustellen. Sie können mit Taktpuffern und Taktverteilern über Leiterplatten und Backplanes gepuffert bzw. verteilt werden. Takte können einem Dithering-Verfahren im Frequenzbereich unterzogen werden, um elektromagnetische Störungen zu verringern (Spreizspektrum-Taktgenerator). Taktrauschen kann mit Jitter-Dämpfungsgliedern verringert werden. Bei vielen Kommunikationsprotokollen ist der Takt in die Datenübertragungen eingebettet und muss im Empfänger über eine Phasenregelschleife wiederhergestellt werden. Die Daten werden dann über eine Taktrückgewinnungsschaltung wiederhergestellt. Die wiederhergestellten Daten können erneut übertragen und unter Verwendung eines Reclockers mit dem wiederhergestellten Takt synchronisiert werden. Dies sorgt für wiederholte Kabelverlängerungen und ermöglicht die schnelle Datenübertragung über extrem große Entfernungen.
Echtzeituhren beinhalten einen Zähler, der die Schwingungen zählt, um Timing-Informationen zu erhalten. Sie können mit der aktuellen Zeit aktualisiert werden und die Zeit so exakt messen, wie es die verwendete Oszillatortechnologie zulässt. Echtzeituhren verfügen üblicherweise über eine Reservestromversorgung (intern oder extern). GPS-Module sind eine beliebte Quelle überaus exakter Referenzzeiten für Designs. Ein GPS-Modul liefert üblicherweise die Absolutzeit und kann einsekündige Timing-Ereignisse (Epochen) generieren.